CN111290395B - 一种基于子母艇的无人艇自主回收方法 - Google Patents

一种基于子母艇的无人艇自主回收方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于子母艇的无人艇自主回收方法，具体步骤为：1)无人艇通过组合导航获取无人艇经纬度、速度与姿态；2)建立母船‑无人艇相对导航坐标系；3)建立无人艇进入母船坞舱对接区域；4)无人艇航行进入对接区域，并保持在对接区域内；5)无人艇控制自身速度位置，使其沿相对导航坐标系x轴航向坞舱；6)无人艇加速航行，沿坞舱中心线进入母船坞舱内部；7)无人艇获取无母船坞舱的相对位置；8)无人艇采用目标追踪算法航行至指定停靠目标点；9)停靠回收。

Description

一种基于子母艇的无人艇自主回收方法
技术领域
本发明涉及一种基于子母艇的无人艇自主回收方法，属于船舶控制领域。
背景技术
现有技术中，一种母船为坞船的无人艇布放回收装置(申请号 201810348908.X)将引导卷扬机构设置在无人艇上，回收时瞄准母船并射出钢缆线，使无人艇按照指定轨迹驶入托架机构内。
群体式无人艇与布放与回收系统(申请号201911015634.3)在母船上安装升降、悬吊装置、无人艇容置装置、控制系统、GPS定位系统。无人艇到达位置后，悬吊装置用于悬吊下方或回收无人艇。
现有技术中并未提及与本发明相关内容。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于子母艇的无人艇自主回收方法，解决了如何通过母船坞舱自动回收无人艇的问题。
本发明的技术方案是：一种基于子母艇的无人艇自主回收方法，其特征在于步骤如下：
1)无人艇通过组合导航获取无人艇经纬度、速度与姿态；
2)建立母船-无人艇相对导航坐标系；
3)建立无人艇进入母船坞舱对接区域；所述对接区域为坞舱外部的 30m*30m的正方形区域，正方形区域对称轴与相对导航坐标写x轴平行，正方形区域中心点距离坞舱口为40m；
4)无人艇航行进入对接区域，并保持在对接区域内；
5)无人艇控制自身速度位置，使其沿相对导航坐标系x轴航向坞舱；
6)无人艇加速航行，沿坞舱中心线进入母船坞舱内部；
7)无人艇获取无母船坞舱的相对位置；
8)无人艇采用目标追踪算法航行至指定停靠目标点；
9)停靠回收。
所述步骤1)的具体过程为：
1.1)无人艇组合导航系统通过差分GPS获取当前无人艇经纬度；
1.2)无人艇组合导航系统读取惯导系统中陀螺仪与加速度计数据，计算得到无人艇姿态，将陀螺仪与加速度计数据积分得到无人艇当前速度、位置；
1.3)用GPS和惯导输出的位置和速度信息的差值作为量测值，经组合卡尔曼滤波，估计惯导系统的误差，然后对惯导系统进行校正。
所述步骤2)的具体过程为：
2.1)通过与母船通信，读取母船经纬度、航向、速度；
2.2)建立以母船坞舱回收点为原点，x轴与母船x轴平行，y轴指向母船右侧，z轴与x轴、y轴垂直指向下的相对导航坐标系。
4、根据权利要求1所述的一种基于子母艇的无人艇自主回收方法，其特征在于：所述步骤5)的具体过程为：
5.1)无人艇控制计算机读取组合导航发送的位置、速度与艏向角；
5.2)控制计算机控制无人艇速度与位置，使无人艇航行至母船中心线上，无人艇速度方向指向相对坐标系X正向，此时无人艇位于坞舱正前方区域，艇首指向坞舱中心方向。
所述步骤7)的具体过程为：
7.1.1)在坞舱内部安装4台UWB基站，无人船将定位标签安装与无人艇旋转中心；
7.1.2)无人艇搭载的定位标签重复不间断发送UWB脉冲；
7.1.3)定位标签发送的UWB脉冲被基站接收，并通过测量数据帧到达基站的时间并参考校准数据确定标签到达不同基站之间的时间差，并计算标签相对于基站位置；
7.14)由于UWB基站与坞舱位置相对固定，基站在接受到标签相对与基站位置后，可以计算出标签的相对导航坐标系中位置，并通过无线电台将标签位置发送给无人艇控制计算机；
7.15)无人艇控制计算机将接受到的定位数据作为无人艇实时位置。
所述步骤7)的具体过程为：
7.2.1)无人艇在顶部搭载高精度激光雷达，激光雷达将扫描成的图像发送给控制计算机；
7.2.2)计算机通过聚类算法将扫描数据中直线特征识别出来；
7.2.3)将聚类算法得到的直线特征与已知的坞舱直线特征进行比对，反算出无人艇在坞舱内相对位置。
所述步骤8)的具体过程为：
8.1)无人艇从起始位置(x(t),y(t))驶向目标点(xs,ys)，定义无人艇的质心为转向点，a为无人艇的前向运动方向与质心到目标点的连线的夹角，则：
Figure SMS_1
其中：
V(t)：无人艇t时刻速度；
Δy：y轴位置变化量；
Δx：x轴位置变化量；
y(t)：t时刻无人艇y轴位置；
x(t)：t时刻无人艇x轴位置；
xs：目标点x轴坐标；
ys：目标点y轴坐标；
L：无人艇到目标点距离；
8.2)无人船动力学方程为：
Figure SMS_2
其中：
Figure SMS_3
分别是无人艇的x轴速度、y轴速度，艏向角速度；
ω：为无人艇艏向角速度；
8.3)无人艇位姿误差为极坐标方程为：
Figure SMS_4
其中：
a：无人艇的前向运动方向与质心到目标点的连线的夹角；
Figure SMS_5
夹角变化率；
8.4)通过追踪控制器控制无人艇航行，使极坐标(L误,a)减少到(0,0)。
所述步骤9)的具体过程为：
9.1)到达停靠点后，母船通过位于停靠点的光电门判断无人艇到达指定位置；
9.2)位于停靠点的固定装置将无人艇固定于坞舱边缘，回收过程结束。
本发明与现有技术相比，其优点和有益效果是：
1.现有回收方案，无人艇都在母船外部进行回收，只需GPS即可完成定位，本发明采用了GPS定位与室内定位相组合的方法，实现了无人艇在母船坞舱内外都可以获取精确定位，避免了无人艇进入母船坞舱后失去导航定位。
2.目前的有人艇的坞舱回收是直接从母船尾部的坞舱口进入坞舱，本发明中无人艇首先进入母船母船外部对中区域，完成对中后进入坞舱，使无人艇有更多的时间控制姿态与母船协调，获取相对定位，在无人艇进入母船坞舱的过程中姿态、速度更加稳定，进入坞舱过程更加顺利
3.目前的船舶航行控制通常采用航向控制，本发明采用目标追踪方法，直接控制无人艇无人艇方向与位置偏差，对于在坞舱内狭小空间中无人艇抵达停靠目标点的航行控制有更好的效果。
附图说明
图1：无人艇回收流程；
图2：相对坐标系定义以及回收区域位置；
图3：UWB基站布置方案；
图4：目标追踪控制算法框图。
具体实施方式
一种基于子母艇的无人艇自主回收方法，如图1所示，总体流程如下：无人艇在执行完预定的任务后，返回母船附近，尾随母船航行。随后位于母船尾部坞舱舱门打开，无人艇加速航行近入坞舱内部，进入母船内部后，航行至停靠点并通过装置进行固定，完成回收。步骤如下：
无人艇自动回收流程：
1.无人艇通过组合导航获取无人艇经纬度、速度与姿态。
1.1无人艇组合导航系统通过差分GPS获取当前无人艇经纬度。
1.2无人艇组合导航系统读取惯导系统中陀螺仪与加速度计数据，计算得到无人艇姿态，将陀螺仪与加速度计数据积分得到无人艇当前速度、位置；
1.3用GPS和惯导输出的位置和速度信息的差值作为量测值，经组合卡尔曼滤波，估计惯导系统的误差，然后对惯导系统进行校正。
2.建立母船-无人艇相对导航坐标系
2.1通过与母船通信，读取母船经纬度、航向、速度。
2.2如图2所示，建立以母船坞舱回收点为原点，x轴与母船x轴平行，y轴指向母船右侧，z轴与x轴、y轴垂直指向下的相对导航坐标系。
3.建立无人艇进入母船坞舱对接区域，对接区域为坞舱外部的 30m*30m的正方形区域，正方形区域对称轴与相对导航坐标写x轴平行，正方形区域中心点距离坞舱口为40m。
4.无人艇航行进入对接区域，并保持在对接区域内
5.无人艇控制自身速度位置，使其沿相对导航坐标系x轴航向坞舱
5.1无人艇控制计算机读取组合导航发送的位置、速度与艏向角；
5.2控制计算机控制无人艇速度与位置，使无人艇航行至母船中心线上，无人艇速度方向指向相对坐标系X正向，此时无人艇位于坞舱正前方区域，艇首指向坞舱中心方向；
6.无人艇加速航行，沿坞舱中心线进入母船坞舱内部
7.无人艇获取无母船坞舱的相对位置可以采用如下两种方法，分别描述如下：
7.1定位方法1：UWB无线定位。
7.1.1在坞舱内部安装4台UWB基站，无人船携带定位标签，布置方法如图3所示。
7.1.2无人船搭载的定位标签重复不间断发送UWB脉冲；
7.1.3定位标签发送的UWB脉冲被基站接收，并通过测量数据帧到达基站的时间并参考校准数据确定标签到达不同基站之间的时间差，并计算标签相对于基站位置；
7.1.4由于UWB基站与坞舱位置相对固定，基站在接受到标签相对与基站位置后，可以计算出标签的相对导航坐标系中位置，并通过无线电台将标签位置发送给无人艇控制计算机；
7.1.5无人艇控制计算机将接受到的定位数据作为无人艇实时位置。
7.2定位方法2：图像特征识别
7.2.1无人船在顶部搭载高精度激光雷达，激光雷达将扫描成德图像发送给控制计算机。
7.2.2计算机通过聚类算法将扫描数据中直线特征识别出来
7.2.3将聚类算法得到的直线特征与已知的坞舱直线特征进行比对，反算出无人艇在坞舱内相对位置。
8.无人艇采用目标追踪算法航行至指定停靠点
8.1无人艇从起始位置(x(t),y(t))驶向目标点(xs,ys)，定义无人艇的质心为转向点，a为无人艇的前向运动方向与质心到目标点的连线的夹角，则：
Figure SMS_6
其中：
V(t)：无人艇t时刻速度；
Δy：y轴位置变化量；
Δx：x轴位置变化量；
y(t)：t时刻无人艇y轴位置；
x(t)：t时刻无人艇x轴位置；
xs：目标点x轴坐标；
ys：目标点y轴坐标；
L：无人艇到目标点距离。
8.2无人船动力学方程为：
Figure SMS_7
其中：
Figure SMS_8
分别是无人艇的x轴速度、y轴速度，艏向角速度；ω：为无人艇艏向角速度；
8.3无人艇位姿误差为极坐标方程为：
Figure SMS_9
其中：
a：无人艇的前向运动方向与质心到目标点的连线的夹角；
Figure SMS_10
夹角变化率。
8.4通过追踪控制器控制无人艇航行，使极坐标(L误,a)减少到(0,0)，控制框图如图4所示
9.停靠回收
9.1到达停靠点后，母艇通过位于停靠点的光电门判断无人艇到达指定位置；或者当无人艇到达回收位置后向母艇发送信号
9.2位于停靠点的固定装置将无人艇固定于坞舱边缘，回收过程结束。

Claims (7)

1.一种基于子母艇的无人艇自主回收方法，其特征在于步骤如下：
1)无人艇通过组合导航获取无人艇经纬度、速度与姿态；
2)建立母船-无人艇相对导航坐标系；
3)建立无人艇进入母船坞舱对接区域；所述对接区域为坞舱外部的30m*30m的正方形区域，正方形区域对称轴与相对导航坐标写x轴平行，正方形区域中心点距离坞舱口为40m；
4)无人艇航行进入对接区域，并保持在对接区域内；
5)无人艇控制自身速度位置，使其沿相对导航坐标系x轴航向坞舱；
6)无人艇加速航行，沿坞舱中心线进入母船坞舱内部；
7)无人艇获取与无母船坞舱的相对位置,具体过程为：
7.1.1)在坞舱内部安装4台UWB基站，无人船将定位标签安装与无人艇旋转中心；
7.1.2)无人艇搭载的定位标签重复不间断发送UWB脉冲；
7.1.3)定位标签发送的UWB脉冲被基站接收，并通过测量数据帧到达基站的时间并参考校准数据确定标签到达不同基站之间的时间差，并计算标签相对于基站位置；
7.14)由于UWB基站与坞舱位置相对固定，基站在接受到标签相对与基站位置后，可以计算出标签的相对导航坐标系中位置，并通过无线电台将标签位置发送给无人艇控制计算机；
7.15)无人艇控制计算机将接受到的定位数据作为无人艇实时位置；
8)无人艇采用目标追踪算法航行至指定停靠目标点；
9)停靠回收。
2.根据权利要求1所述的一种基于子母艇的无人艇自主回收方法，其特征在于：所述步骤1)的具体过程为：
1.1)无人艇组合导航系统通过差分GPS获取当前无人艇经纬度；
1.2)无人艇组合导航系统读取惯导系统中陀螺仪与加速度计数据，计算得到无人艇姿态，将陀螺仪与加速度计数据积分得到无人艇当前速度、位置；
1.3)用GPS和惯导输出的位置和速度信息的差值作为量测值，经组合卡尔曼滤波，估计惯导系统的误差，然后对惯导系统进行校正。
3.根据权利要求1所述的一种基于子母艇的无人艇自主回收方法，其特征在于：所述步骤2)的具体过程为：
2.1)通过与母船通信，读取母船经纬度、航向、速度；
2.2)建立以母船坞舱回收点为原点，x轴与母船x轴平行，y轴指向母船右侧，z轴与x轴、y轴垂直指向下的相对导航坐标系。
4.根据权利要求1所述的一种基于子母艇的无人艇自主回收方法，其特征在于：所述步骤5)的具体过程为：
5.1)无人艇控制计算机读取组合导航发送的位置、速度与艏向角；
5.2)控制计算机控制无人艇速度与位置，使无人艇航行至母船中心线上，无人艇速度方向指向相对坐标系X正向，此时无人艇位于坞舱正前方区域，艇首指向坞舱中心方向。
5.根据权利要求1所述的一种基于子母艇的无人艇自主回收方法，其特征在于：所述步骤7)的具体过程为：
7.2.1)无人艇在顶部搭载高精度激光雷达，激光雷达将扫描成的图像发送给控制计算机；
7.2.2)计算机通过聚类算法将扫描数据中直线特征识别出来；
7.2.3)将聚类算法得到的直线特征与已知的坞舱直线特征进行比对，反算出无人艇在坞舱内相对位置。
6.根据权利要求1所述的一种基于子母艇的无人艇自主回收方法，其特征在于：所述步骤8)的具体过程为：
8.1)无人艇从起始位置(x(t),y(t))驶向目标点(xs,ys)，定义无人艇的质心为转向点，a为无人艇的前向运动方向与质心到目标点的连线的夹角，则：
Figure FDA0004214715290000031
其中：
V(t)：无人艇t时刻速度；
Δy：y轴位置变化量；
Δx：x轴位置变化量；
y(t)：t时刻无人艇y轴位置；
x(t)：t时刻无人艇x轴位置；
xs：目标点x轴坐标；
ys：目标点y轴坐标；
L：无人艇到目标点距离；
8.2)无人船动力学方程为：
Figure FDA0004214715290000032
其中：
Figure FDA0004214715290000033
分别是无人艇的x轴速度、y轴速度，艏向角速度；
ω：为无人艇艏向角速度；
8.3)无人艇位姿误差为极坐标方程为：
Figure FDA0004214715290000041
其中：
a：无人艇的前向运动方向与质心到目标点的连线的夹角；
Figure FDA0004214715290000042
夹角变化率；
8.4)通过追踪控制器控制无人艇航行，使极坐标(L,a)减少到(0,0)。
7.根据权利要求1所述的一种基于子母艇的无人艇自主回收方法，其特征在于：所述步骤9)的具体过程为：
9.1)到达停靠点后，母船通过位于停靠点的光电门判断无人艇到达指定位置；
9.2)位于停靠点的固定装置将无人艇固定于坞舱边缘，回收过程结束。
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